(57)【要約】【課題】モーターによって生成される出力の力から直線移動の位置成分を除去し、ステッピングモーターの出力を線形化することのできるシステムおよび方法を提供する。【解決手段】本発明に係るシステムは、ステッピングモーターの出力を線形化するシステムであって、モーターに対して力の入力を供給するコントローラと、連続増分ステップ間における移動に続いてモーターの位置を判定する手段と、位置誤差を出力の力の要求に変換する手段と、現在のモーター位置において要求された力を生成するモーター電圧パターンを算出し、これにより、モーターによって生成される出力の力から直線移動の位置成分を除去する手段と、を備えることを特徴とするものである。【選択図】図１
2007082392.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステッピングモーターの出力を線形化するシステムであって、
前記モーターに対して力の入力を供給するコントローラと、
連続増分ステップ間における移動に続いて前記モーターの位置を判定する手段と、
位置誤差を出力の力の要求に変換する手段と、
現在のモーター位置において前記要求された力を生成するモーター電圧パターンを算出し、これにより、前記モーターによって生成される出力の力から直線移動の位置成分を除去する手段と、
を備えることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記ステッピングモーターは、静電直線型モーターであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ステッピングモーターは、静電直線型マイクロモーターであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記ステッピングモーターは、静電表面駆動モーターであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記コントローラからの力の要求をモーターの力の量子にスケーリングする手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記モーターが、実際に生成可能であるものを上回る力の生成を試みることを防止する飽和ブロックを備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記位置の変化を検知する手段は、前記モーターに取り付けられた位置センサを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記計測された位置の変化をモーター状態オフセット値に変換する手段は、位置センサに供給される前記位置データを受信するアナログ／デジタルコンバータを含んでいることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
位置推定器が、前記コントローラからの位置データをモーターの機械的特性の数学モデルにおいて以前の力の出力と合成して前記モーターの位置の推定値を判定することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記数学的モデルは、モーターの状態をスケーリング及び推定し、これにより、モーター状態オフセットを生成し、このモーター状態オフセットが、前記モーターへの前記力の入力と合成されて前記モーター線形化機能が完成し、これにより、前記モーターからの前記力の出力から移動の位置成分を除去する手段を含んでいることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
マイクロモーターの直線移動の電気的な回復力と関連した変化する共振周波数の影響を極小化するシステムにおいて、
前記モーターの実際の位置を電圧出力として供給するデータを生成するために前記モーターに取り付けられた位置センサと、
前記位置センサによって供給されるデータを受け取り、前記データをデジタルカウントに変換するアナログ／デジタルコンバータと、
前記コンバータから前記位置データを受け取り、これを前記モーターの機械的特性の数学的モデルにおいて以前の力の出力と合成して前記モーターの位置の推定値を判定する位置推定器と、
を備えることを特徴とするシステム。
【請求項１２】
前記機械的な位置データを前記適宜の電気的状態にマッピングしてモーターオフセットを供給することを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記モーターオフセットを前記モーターへの前記力の入力と合成して前記モーターの線形化機能を完成させ、これにより、前記モーターからの前記力の出力から移動の位置成分を除去することを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
連続増分ステップにおいてモーターを第１位置から第２位置に移動させるために、力の要求が連続増分パルスにおいて前記モーターに供給されるステッピングモーターを制御する方法において、
連続増分ステップ間におけるモーターの移動に続いて前記モーターの位置の変化を検知するステップと、
計測された又は数学的に推定された位置の変化をモーター状態オフセット値に変換するステップと、
位置の誤差を要求されたモーターの力に変換するステップと、
前記要求された力を前記モーターが生成可能な最大力に制限するステップと、
前記制限された力の要求を前記モーター状態オフセット値に加算するステップと、
前述の合計から整数個のモーター周期を除去して出力モーター電極パターンを生成し、これにより、前記モーターによって生成される前記出力の力から直線移動の位置成分を除去するステップと、
を有することを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記方法を使用して、静電直線型モーターを制御することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記方法を使用して、静電直線型マイクロモーターを制御することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記方法を使用して、静電表面駆動モーターを制御することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記方法は、閉ループフィードバックシステムにおいて使用されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記位置の変化を検知するステップは、前記モーターに取り付けられた位置センサによって行われることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記位置変化データをモーター状態オフセット値に変換するステップは、前記位置センサによって提供される前記位置データを受け取るアナログ／デジタルコンバータによって行われることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項２１】
前記アナログ／デジタルコンバータから供給される前記モーター状態オフセット値を検出するステップは、前記モーター状態オフセット値を比較及び評価する位置推定器によって行われることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項２２】
前記モーター状態オフセット値を比較するステップは、数学モデルを使用して所定のモーター状態オフセット値を提供することを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項２３】
マイクロモーターの直線移動の電気的な回復力と関連した変化する共振周波数の影響を極小化する方法において、
前記モーターに取り付けられた位置センサを使用して位置データを生成し、前記モーターの実際の位置を電圧出力として供給するステップと、
前記位置センサによって供給された前記データをアナログ／デジタルコンバータに転送するステップと、
更に、このコンバータから前記データをデジタルカウントとして出力するステップと、
次いで、前記位置データ入力をモーターの機械的特性の数学的なモデルにおいて以前の力の入力と合成する位置推定器に前記変換されたデータを入力して、前記モーターの位置のよりよい推定値を判定するステップと、
を有することを特徴とする方法。
【請求項２４】
前記機械的な位置データを適宜の電気的状態にマッピングしてモーターオフセットを供給することを特徴とする請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記モーターオフセットを前記モーターへの前記力の入力と合成して前記モーターの線形化機能を完成させ、これにより、前記モーターからの前記力の出力から移動の位置成分を除去することを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
直線運動型静電ステッピングモーターを制御するシステムにおいて、
要求されたモーターの出力の力を連続増分パルスにおいて前記モーターに入力し、連続増分ステップにおいて第１位置から第２位置に前記モーターを移動させる手段と、
連続増分ステップ間における移動に続いて前記モーターの位置の変化を推定又は検知する手段と、
計測又は数学的に推定された位置の変化をモーター状態オフセット値に変換する手段と、
位置の誤差を要求されたモーターの力に変換する手段と、
前記要求された力を前記モーターが生成可能な最大力に制限する手段と、
前記制限された力の要求をモーターオフセット値として前記モーター状態に加算する手段と、
前述の合計から整数個のモーター周期を除去して出力モーター電極パターンを生成し、これにより、前記モーターによって生成される出力の力から直線移動の位置成分を除去する手段と、
を備えることを特徴とするシステム。
【請求項２７】
直線運動型静電ステッピングモーターを制御する方法において、
要求されたモーターの出力の力を連続増分パルスにおいて前記モーターに入力し、連続増分ステップにおいて第１位置から第２位置に前記モーターを移動させるステップと、
連続増分ステップ間における移動に続いて前記モーターの位置の変化を推定又は検知するステップと、
計測又は数学的に推定された位置の変化をモーター状態オフセット値に変換するステップと、
位置の誤差を要求されたモーターの力に変換するステップと、
前記要求された力を前記モーターが生成可能な最大力に制限するステップと、
前記制限された力の要求を前記モーター状態にモーターオフセット値として加算するステップと、
前述の合計から整数個のモーター周期を除去して出力モーター電極パターンを生成し、これにより、前記モーターによって生成される出力の力から直線移動の位置成分を除去するステップと、
を有することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、直線運動型静電モーターのモーター制御方法に関するものであるが、ステッピングモーター全般に適用可能である。直線運動型静電モーターは、ステッピングモーターの原理に基づいて動作する（即ち、これらは、制御電極の組における電圧パターンを変化させることによって駆動され、直線運動の正確な制御が可能である）。モーター電極における電圧パターンを変化させることにより、結果的に、動作停止後にモーター位置の既知の正確な変化が得られる。
【背景技術】
【０００２】
静電ステッピングモーターは、複数の設定電圧パターンを使用することにより、制御された増分的な移動（しばしば、ステップと呼ばれる）を提供する。電圧パターンを変更することにより、ステッピングモーターをこれらのステップを通じて（即ち、特定のステップにおける休止位置に）移動させる。静電ステッピングモーターは、トランスレータ電極アレイ上の電界と相互作用する電圧パターンを固定子電極アレイ上に設定し、トランスレータステージ上に力（及び動作）を生成することにより、制御される。この力は、電圧パターンと、固定子電極に対するトランスレータ電極の相対的な位置との関数である。直線又は回転運動を生成するべく、静電ステッピングモーターを構築可能である。本発明は、直線静電ステッパ用に開発されたものであって、当然のことながら、回転型の静電ステッピングモーターにも適用されるが、磁気ステッピングモーター（直線型又は回転型）にも同様に適用可能である。
【０００３】
以上の説明を要約すれば、電圧パターンの変化から結果的に得られる運動（又は、力）は、印加電圧パターンのみならず、固定子電極の場所に対するトランスレータ電極の相対的な場所によっても左右される。しかしながら、モーターが以前の状態と一貫性を有する場所に休止する前に、電圧パターンが変化すると、固定子電極に対するトランスレータ電極の相対的な位置が不明となろう。ステッピングモーターの多くのアプリケーションにおいては、印加電圧パターンの変化レートを制限することにより、トランスレータ及び印加電圧パターンの位相のずれが過剰になり、場合によっては、隣接する電位井戸内に入り込むことを防止している。動作の停止前にモーターの電圧パターンが変化することを必要とするアプリケーションの場合には、出力される力は、電圧パターンと、トランスレータ及び固定子電極の相対的な位置との非線形関数である。本発明は、新しい電圧パターンをモーターに出す前にモーターが停止することを許容しない帯域幅を有する制御システムに使用するために、モーターの応答を効果的に線形化する。
【０００４】
線形化された静電ステッピングモーターは、システムコントローラから力の要求を受け取り、モーターの現在の位置とは無関係に、その必要な力を生成するのに必要な電圧パターンを算出する。これは、モーターの動的な状態をモデル化することによって実現されている。現在のモーターの位置を計測することにより、モデルの精度を改善することも可能であるが、これは必須ではない。
【０００５】
直線運動型の静電ステッピングモーターは、図１に示されているように構成可能である。トランスレータステージは、望ましい垂直方向の間隔を維持しつつ水平方向の動作を許容するスプリングによって支持されている。トランスレータ電極は、固定子電極に対して平行であり、固定時電極は、移動可能なトランスレータステージの下方において、固定した位置の固定子ステージ上に取り付けられている。半導体製造法を使用することにより、物理的に小さく且つ迅速で非常に高精度な制御された動作を提供可能な直線運動型静電ステッピングモーターが構築可能である。
【０００６】
電圧パターンを両方の電極の組に印加することにより、２つの対向する電極の組のそれぞれの表面上に空間的に交互に変化する静電界を生成する。通常、トランスレータのパターンは固定されており、固定子のパターンを変化させることによってモーターの動作を制御する。このような駆動電圧パターンと静電表面マイクロモーターによって生成される力に関する理解を更に深めるには、非特許文献１を参照されたい（この内容は、本引用により、そのすべてが本明細書に包含される）。
【０００７】
通常は、ステッピングモーターを制御することにより、モーターの位置を制御基準とし、モーターの位置がスリップして意図する位置と過剰な位相のずれを生成しないように注意している。このような制御は、所定の加速／減速曲線を使用することによって実現可能である。本発明においては、トランスレータ及び固定子の相対的な位置をモデル化することにより、望ましい力の出力を生成するのに必要な電圧パターンを算出可能である。
【０００８】
モーター制御システムの設計においては、モーターの動力学が重要な役割を果たす。モーターの動力学は、その機械特性（質量及びばね定数）と印加電界によって生じる力によって決定される。質量／スプリングの動力学によって共振応答が形成される。電極からの電界が、トランスレータを（固定子電極に対して）定位置に保持する傾向を有する力を生成することにより、モーターの共振周波数を大幅に増大させる。
【０００９】
これらの電気的な力は、固定子／トランスレータ電極に印加された電界強度（電圧）と、モーターの位相（即ち、固定子電極によって生成された電界に対するトランスレータプレートの相対的な位置）との関数である。静電モーター用の有効な電界強度に影響を及ぼし得る１つの効果が、誘電体充電（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｈａｒｇｉｎｇ）である。モーター絶縁体内に（特に，水蒸気が存在する際に）電荷エリアが生じる場合があり、これが、印加外部電界の一部を効果的にキャンセルする。この結果、モーターの電気的な回復力が減少し、エネルギー供給されているモーターの共振周波数が低下する。変化するモーター応答に適合可能な閉ループフィードバックコントローラの構築は、静的なコントローラの構築と比べ、困難な作業ではあるが、この作業は、依然として可能である。モーターの共振に関連する問題の更なる説明については、２００１年３月２７日付けでＭａｓｋｅ他に発行された「Ｕｓｅ  ｏｆ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｒａｍｐｉｎｇ  ｔｏ  Ｒｅｄｕｃｅ  Ａｕｄｉｂｌｅ  Ｎｏｉｓｅ  ｉｎ  Ｓｔｅｐｐｅｒ  Ｍｏｔｏｒ」という名称の特許文献１を参照されたい。モーターの共振について記述し、同様に、ステッピングモーターの詳細な技術的な説明を提供する更なる特許は、２００１年９月４日付けでＭａｓｋｅ他に発行された「Ｐｓｅｕｄｏ  Ｈａｌｆ−Ｓｔｅｐ  Ｍｏｔｏｒ  Ｄｒｉｖｅ  Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ」という名称の特許文献２である。
【特許文献１】米国特許第６，２０８，１０７号明細書
【特許文献２】米国特許第６，２８５，１５５号明細書
【非特許文献１】Ｓｔｏｒｒｓ  Ｈｏｅｎ他著、「Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｄｒｉｖｅｓ：  Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ  Ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ」（Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ、１９９７年６月１６日）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、モーターによって生成される出力の力から直線移動の位置成分を除去し、ステッピングモーターの出力を線形化することのできるシステムおよび方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、現在の位置を推定し、且つ、要求された出力の力を生成するモーター固定子電圧パターンを判定可能なモーターモデルとの関連において、モーターの固定質量／スプリング機械的共振を制御するべく設計された固定フィードバックコントローラを使用することができる。この方法は、モーターの動力学から電気的な回復力を有効に除去すると共に、変化する共振周波数と関連する問題を除去する（この理由は、これらの変動が、モーターの機械的特性によってではなく、電気的な回復力によって生じるためである）。ステッピングモーター用の代表的な従来技術によるコントローラは、位置の誤差を監視し、望ましい場所と合致するモーター電圧の状態を生成する。本発明においては、モーターは、位置的なアクチュエータとしてではなく、力のアクチュエータと見なされる。モーターが効果的に線形化された後に、標準的な技法を用いて、位置を監視すると共にモーターに対して力の出力を要求するフィードバックコントローラを設計する。
【００１２】
モーターの位置を判定する好ましい方法は、モーターの特性及びモーターの動力学の数学的モデルを開発してモーターの位置を推定するというものである。このモデルに外部センサを追加すれば、フィードバックを介して位置データを提供することにより、モデルの推定能力の精度が向上することになろう。推定器モデルの能力を向上させて正確な位置データを提供するために、モーターの飽和などの非線形効果をモデルに包含することも可能であろう。
【００１３】
本発明の好適な実施形態は、閉ループフィードバックシステム内において直線運動型静電モーターの位置を制御するシステムであり、本システムは、モーターの位置を判定する手段と、位置の誤差を出力駆動力要求に変換する手段と、現在のモーターの位置において要求されている力を生成するモーター電圧パターンを算出する手段と、を有している。
【００１４】
現在のモーター位置を判定する方法には、いくつかのものが存在している。モーター応答が良好にモデル化されており、かつ、外部の力が小さい場合には、推定（ｄｅａｄ  ｒｅｃｋｏｎｉｎｇ）を用いることができる。フィードバックを使用し、計測された位置（これは、雑音を含んでいる可能性がある）を推定器モデルに加算することにより、推定位置の精度を向上させることができる。計測位置に雑音が含まれていない場合には、直接計測した位置によって推定位置を置換することができる。
【００１５】
本発明の別の好適な実施形態においては、ステッピングモーターの電気的な回復力の変動に関連した共振周波数の変化の効果を極小化するために、モーター上に取り付けられた位置センサが、モーターの実際の位置に関係する信号を生成する。次いで、位置センサから供給されるデータをアナログ／デジタルコンバータに転送し、このコンバータからデジタルカウントとして出力されたものが位置推定器に入力され、この位置推定器が、この現在のデータを過去の履歴及び既知の動力学と合成することにより、モーターの現在の位置を推定する。次いで、機械的な位置データを適切なモーター電圧パターンにマッピングする。この機械的な位置成分の電気的な等価物は、モーター状態オフセットを提供しており、これは、モーターに入力される力の要求と合成されて線形化回路が完成した場合に、モーターの状態から位置的な従属性を効果的に除去する。
【００１６】
本発明の別の好適な実施形態は、閉ループフィードバックシステム内において直線運動型静電ステッピングモーターの位置を制御する方法であり、この場合に、出力の力の要求を連続的にモーターに供給することにより、モーターを第１位置から第２位置に移動させており、本方法は、前述の連続増分ステップにおけるモーターの移動に続いてモーターの位置の変化を検知することと、位置誤差を要求されている出力駆動力に変換することと、出力駆動力を数学的なモデルによって提供される位置オフセットと加算することと、比較手段によって提供される望ましい力のオフセット力を生成するモーター電圧パターンを、入力駆動力とオフセット力を合成する手段に供給し、これにより、入力駆動力から線形移動の機械的成分を除去することと、を含んでいる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に関する詳細な説明に先立ち、特記しない限り、本発明は、特定の回路又はそのコンポーネントに限定されるものではなく、従って、本発明は変化可能であることを理解されたい。又、本明細書に使用されている用語は、特定の実施形態の説明を目的としたものに過ぎず、制限を意図するものではないことをも理解されたい。
【００１８】
本明細書及び添付の請求項において参照されているいくつかの用語は、それらが使用されている文脈が明瞭に否定していない限り、次の意味を具備するべく定義されている。
【００１９】
「マイクロモーター」という用語は、ミクロン又はサブミクロンの寸法の特徴を具備し、非常に小さな量の移動を伴う任意の数の連続した直線移動を提供するべく使用可能な装置を意味している。「マイクロモーター」、「直線型モーター」、「静電直線運動型モーター」、及び「直線型ステッピングモーター」という用語、並びに、これらに相当する用語は、本文において相互交換可能に使用されており、以下に定義する「ステッピングモーター」の一変形を示すべく使用されている。直線型ステッピングモーターにおいても、目的は、モーターの移動の増分的な制御にあり、制御対象の移動は、固定回転軸を中心とした回転ではなく、定義されたｘ軸に沿った直線型になっている。
【００２０】
本明細書に使用されている「任意選択の」又は「任意選択により」は、これらに続いて説明されている特徴又は構造が存在してもしなくてもよく、或いは、続いて説明されているイベント又は状況が、発生してもしなくてもよく、且つ、その記述は、特定の特徴又は構造が存在している例とその特徴又は構造が存在していない例、或いは、イベント又は状況が発生する例とそうではない例を含んでいる。特徴、構造、イベント、又は状況に対する任意選択としての単純な参照は、特徴、構造、イベント、又は状況が好適であるかどうかを決して意味するものではない。
【００２１】
「ステッピングモーター」という用語は、個別の増分的なステップにおいて制御可能なモーターを意味している。更に一般的には、ステッピングモーターは、回転運動と関連しており、スピニングローターが、静止した固定子シェル内に取り付けられ、静止した固定子電極が、固定子シェルの内部に取り付けられ、且つ、モーターシャフトに固定された回転子に取り付けられた補完的な回転子電極に対向するように内側に延長している。電圧パターンが固定子に入力され、回転子電極がモーターシャフトの回転を誘発し、これらの電圧パターンを正確に制御することにより、正確に制御された増分で、シャフトによってモーターシャフトを回転させることができる。ステッピングモーターは、当技術分野において周知であり、小型の電気モーターに関する学術論文により、ステッピングモーター及びステッピングモーターの制御に関する多数の情報が入手可能である。本発明の設計対象であるモーターは、従来のステッピングモーターの変形であり、この場合に、固定子と回転子（これは、本明細書においては、トランスレータと呼んでいる）は、直線型の要素であり、互いに対向しており、それぞれが、補完的な電極の組を保持し、直線軸に沿った直線移動用に設計されている。又、大部分のステッピングモーターは、磁界を使用して望ましい力又は動作を生成しているが、本発明を利用するべく使用されるモーターは、電界を使用して望ましい力又は動作を生成している。
【００２２】
「実質的に同一」という表現における「実質的」という用語は、本明細書においては、その対応する寸法及び／又は特性が約１５％を上回って異ならないように、同一又は略同一の寸法及び／又は特性を具備するアイテムを意味するのに使用されている。好ましくは、対応する寸法及び／又は特性は、５％を上回っては異なっておらず、最適には、約１％を上回っては異なっていない。例えば、２つのスプリングは、それらのスプリングの寸法及び特性の差が互いに約５％以内である場合に、その特性が実質的に同一である。「実質的」という用語のその他の使用も、類似の意味を具備している。
【００２３】
「対称的」という用語は、本明細書においては、その通常に意味において、線又は面あるいは中心点又は軸を中心とした両側における対応性を意味するべく使用されている。従って、例えば、「対称的な運動」は、対称の線又は面の両側の同一の方式におけるアイテムの移動、あるいは、対称の中心点又は軸に対する同一方式のアイテムの移動を意味している。同様に、「非対称的な運動」は、対称の線又は面あるいはは対称の点又は軸を中心とした両側の異なる方式におけるアイテムの移動を意味している。例えば、移動するアイテムの位置を時間に対してプロットした場合に、正弦波、三角波、又は方形波のプロットは、対称的な移動を示しており、鋸歯波のプロットは、非対称的な移動を示している。
【００２４】
従って、本発明は、直線運動型静電ステッピングモーターを制御するシステム及び方法に関係しており、本発明のシステムは、要求されているモーター出力の力を連続増分パルスにおいてモーターに入力し、連続増分ステップにおいてモーターを第１位置から第２位置に移動させる手段を含んでおり、本システムは、連続増分ステップ間における移動に続いてモーターの位置の変化を推定又は検知する手段と、計測又は数学的に推定された位置の変化をモーター状態オフセット値に変換する手段と、位置の誤差を要求されているモーターの力に変換する手段（位置の誤差に基づいた制御ループ内においてモーターが使用されている場合）と、要求されている力をモーターが生成可能な最大の力に制限する手段と、制限された力の要求をモーターオフセット値としてモーター状態に加算する手段と、（剰余又はＲＥＭ関数のように）以前の合計から整数個のモーター周期を除去して出力モーター電極パターンを生成し、これにより、モーターによって生成される出力の力から線形移動の位置成分を除去する手段と、を更に有している。
【００２５】
直線型静電マイクロモーターは、入力駆動力をモーターに入力する手段と、入力駆動力をモーター状態オフセットと合成してモーター状態を生成する手段と、モーター状態をマイクロモーターを増分駆動するモーター電極電圧パターンに変換するモーター制御デジタル／アナログコンバータと、を有している。マイクロモーターのトランスレータプレートは、モーターの側壁間の既定の経路に沿った直線往復移動が可能となるように、通常、弾性的に取り付けられている。通常、弾性的な取り付けは、類似の寸法及び類似の弾力特性のスプリングのペアから構成されており、１つのスプリングは、第１側壁に装着された第１端部と、トランスレータプレートの一つの側部の中間点に装着された反対側の端部を具備し、もう１つのスプリングは、トランスレータプレートのもう１つの側部の中間点に装着された第１端部と、反対側の側壁に装着された反対側の端部を具備している。その他のプレート／スプリング構成も可能である（上記を参照されたい）。トランスレータプレートの弾性的な取り付けは、マイクロモーターへの電気入力によって生成される力に対してかなり動的且つ機械的な力の成分を付加する。
【００２６】
マイクロモーターの直線移動の電気的な回復力と関連した変化する共振周波数の影響を極小化するシステムは、モーターの実際の位置を電圧出力として供給するデータを生成するためにモーター上に取り付けられた任意選択の位置センサを有している。次いで、位置センサから供給されるデータが、アナログ／デジタルコンバータに転送され、このコンバータからデジタルカウントとして出力されたものが位置推定器に入力され、この位置推定器が、モーターの機械的特性の数学的なモデルにおいて、位置データ入力を以前の力の出力と合成し、更に良好なモーター位置の推定値を判定する。推定器は、位置計測値に雑音が多数含まれている場合や計測値の更新レートがモーターの位置を追跡するのに不十分なものである場合にのみ有用である。次いで、機械的な位置データを適切な電気的状態にマッピングする。この機械的な位置成分の電気的な等価物は、モーター状態オフセットを提供しており、これは、モーター線形化機能を完成するためにモーターに対する力の入力と合成された場合に、モーターからの力の出力から移動の位置成分を効果的に除去する。
【００２７】
モーターの移動をμｍレベルで制御しなければならない高精度の直線型マイクロモーターアプリケーションにおいては、モーターの位置を知ることが特に望ましいものであり、モーターの位置を正確に推定するシステムの能力は、モーターの直線移動を正確に制御する能力と同程度に重要であろう。
【００２８】
本発明においては、モーターの物理的な寸法と最大印加電圧によって決定される力のある限定されたレンジにわたって好ましいモーター出力の力を生成することが望ましいであろう。現在の回転子及び固定子電極の相対的な位置が判明している場合には、このような望ましい出力の力を生成する電圧パターンが判定可能であろう。システムの動力学から静電気回復力に関連する動力学を除去することは、固定線形コントローラによって制御されるシステムにおいてモーターを使用することを可能にする。この結果、ステッピングモーターは、制御されたミクロン単位の移動などの広帯域幅の閉ループアプリケーションにおいて使用される非常に正確な力のトランスレータとなる。
【００２９】
図１は、本発明の新規の制御システムを内蔵可能な直線型静電ステッピングモーターの概略図を示している。本明細書において参照するすべての図においては、類似の部分を類似の参照符号によって参照しており、且つ、これらの図面と同様に、図１も、その縮尺は、必ずしも正確なものにはなっておらず、明瞭に提示するべく、特定の寸法を誇張している場合がある。図１において、直線型静電ステッピングモーター１０は、側壁１４及び１６の間に固定状態でに取り付けられた固定子プレート１２を有している。固定子プレート１２は、非導電性材料から構成された略均一な厚さの矩形のプレートから構成されている。固定子プレート１２の上部表面１８から上方に延びているのは、固定子電極２０の組である。固定子電極２０は、固定子プレート１２の上部表面１８上に略平行なアライメントで取り付けられた間隔２０ｂを有する一連の等間隔の導電性バー２０ａから構成されている。
【００３０】
固定子プレート１２の上方にこれと略平行なアライメントで配設されているのは、トランスレータプレート２２である。トランスレータプレート２２は、非導電性の材料からなる略均一な厚さの矩形プレートから構成されている。トランスレータプレート２２は、反対側に位置する側壁２２ａ及び２２ｂを有している。トランスレータプレート２２の下部表面２４から下方に延びているのは、トランスレータ電極２６の組である。トランスレータ電極２６は、トランスレータプレート２２の下部表面２４上に略平行なアライメントで取り付けられた一連の等間隔の導電性バー２６ａを有している。本明細書に開示されている好適な実施例においては、隣接するトランスレータ電極２６ａの間に提供されている間隔２６ｂは、これに相当する固定子電極２０の間の間隔２０ｂとは、わずかに異なっている。トランスレータ電極２６ａは、高さにおいてもほぼ等しいものになっている。
【００３１】
トランスレータプレート２６は、実質的に等しいスプリング２８及び３０による弾性的な支持又は取り付けにより、向かい合った側壁１４及び１６に弾性的に取り付けられている。わかりやすくするために、２つのスプリング２８及び３０は、概略的に示されている。実際には、トランスレータプレート２２を安定させるべく、個々の側壁１４、１６に装着されるように、プレート２２のそれぞれの側部の反対側の端部上にほぼ平行なアライメントで２つのスプリング（即ち、合計４つのスプリング）を提供することが望ましいであろう。スプリング２８及び３０を参照すれば、「実質的に等価」という表現は、スプリング２８が、サイズと形状、並びに、弾性的な特性において、スプリング３０に実質的に類似していることを意味している。スプリング２８、３０のそれぞれは、側壁に固定された１つの端部と、トランスレータプレート２２に固定された反対側の端部を有している。具体的には、スプリング２８の端部２８ａは、側壁１４に装着されており、反対側の端部２８ｂは、トランスレータステージ２２の側壁２２ａに装着されている。同様に、スプリング３０の端部３０ａは、側壁１６に装着されており、反対側の端部３０ｂは、トランスレータステージ２２の側壁２２ｂに装着されている。固定子プレート１２及びトランスレータプレート２２は、互いに離隔しており、トランスレータプレート２２は、固定子プレート１２の固定した長手方向の軸とほぼ平行なアライメントのｘ軸に沿ったトランスレータプレート２２の直線移動を可能にするために弾性的に取り付けられている。
【００３２】
固定子プレート１２及びトランスレータプレート２２は、固定子電極２０及びトランスレータ電極２６の個々の組を分離する空間３２を生成するべく、互いに十分に離隔している。
【００３３】
動作の際には、直線静電ステッピングモーター１０は、固定子プレート１２に対してトランスレータプレート２２を移動させることにより動作する。固定子プレート１２に対してトランスレータプレートを移動させるには、電極２０、２６の個々の組から生じる電界と相互作用するように、選択された固定子電極２０及びトランスレータ電極２６に対する電圧入力を特定のパターンで変化させる。
【００３４】
例えば、トランスレータ電極２６は、第１電極２６ａが４０ボルトなどの動作電圧に設定され、これに隣接する電極が接地され、次の電極が４０ボルトとなり、残りの電極は、これと類似した方式で設定されるパターンなどそれぞれの電圧を有することが可能である。一方、固定子電極２０は、それほど大きく交互に変化しないパターンで設定されたそれぞれの電圧を有することが可能であろう。例えば、第１固定子電極２０ａは、高電圧に設定可能であり、第１のものに直接隣接している第２固定子電極は、低電圧に設定可能であり、第２のものに隣接する第３固定子電極２０ａは、高電圧に設定可能であり、第３のものに隣接する第４固定子電極２０ａは、低電圧に設定可能であり、隣接する第５の固定子電極は、高電圧に設定可能であり、第６のものは、接地と高電圧の間の電圧であってよく（パターン内の１つの電極は、通常、マイクロステッピングに使用されている）、第７の隣接固定子電極２０ａは、低電圧に設定可能であろう。そして、静電直線型ステッピングモーター１０内の固定子電極２０ａのすべてについて、この７電極電圧パターンが反復可能である。
【００３５】
トランスレータプレート２２を移動させるため、固定子電極２０の中の１つ又は複数のものの電圧を増大又は減少させることにより、固定子電極２０内の電圧パターンを変化させる。このような電圧の変化は、固定子電極２０とトランスレータ電極２６の間に存在している電界の分布を変化させる。この結果、固定子電極２０とトランスレータ電極２６の間の吸引力及び反発力も変化し、力（外部負荷を含む）がバランスするまで、トランスレータプレート２２の位置が変化する。
【００３６】
換言すれば、固定子電極２０の電圧が変化するに伴い、電界によって生成される力が、スプリング２８、３０によってトランスレータプレート２２にかけられている機械的な力とバランスする新しい低エネルギーポテンシャル領域が生成される。従って、固定子電極２０の電圧が新しいパターンに変化すると、トランスレータプレート２２が、自分自身を再配置する。
【００３７】
図２は、制御電圧を電極２０、２６に供給する手段の概略図である。トランスレータ電極２６は、Ｖbと接地間において交互に変化し、一方、固定子電極２０にはＶbと接地間において変化している（即ち、Ｖ1からＶ7までの）７位相電圧パターンが印加されている。
【００３８】
これらの電界の望ましくない副作用は、固定子電極２０とトランスレータ電極２６間における吸引力の面外成分である。これらの吸引力は、トラスレータプレート２２を固定子プレート１２に向かって引っ張り、これが過大である場合には、トランスレータ電極２６と固定子電極２０が、電気的に「短絡」し、一緒に溶解するのに十分なほどに密接な接触状態となる可能性がある。この種の事故は、静電直線型ステッピングモーター１０の破滅的な障害を引き起こす可能性を有している。このような事故の詳細な説明は、従来技術において見出すことが可能であり、このような問題の解決策は、本発明の対象ではないため、本明細書においては、これを省略する。
【００３９】
スプリング２８、３０は、トランスレータプレート２２の面外移動を禁止するべく十分に固く設計されているが、同時に、トランスレータプレート２２の必要な面内移動を提供すると共に面外動作を禁止するスプリング２８、３０によって提供されるサスペンションを製造するのは困難である（但し、可能である）。
【００４０】
静電直線型ステッピングモーター１０と関連する機械的な動力学により、モーターの性能が大幅に劣化する可能性がある。マイクロモーター１０のトランスレータプレート２２の弾性的な取り付け（これにより、マイクロモーター１０の側壁間における既定の経路に沿ったトランスレータプレート２２の直線移動が可能になっている）が、直線型ステッピングモーター１０の移動に対して機械的な動力学を付与する。即ち、マイクロモーター電極２０及び２６によって受け取られる電圧入力は、トランスレータプレート２２を移動させる静電気成分を付与する出力の力を供給する。マイクロモーター１０への電圧入力によるトランスレータプレート２２の移動により、スプリング２８、３０が再配置される。本システムの動力学には、電気的な回復力と、機械的なコンポーネントと関連する動力学とが含まれている。従来技術によるアプリケーションにおいては、モーター１０の動力学は、機械的な特性と、印加電界に関連する回復力とによって決定されている。電気的な回復力の変動が、本システムの動力学を相当に変化させるであろう。
【００４１】
図３は、静電直線型ステッピングモーター１０を線形化する線形化回路４０が、力の要求を受け取りし、モータートランスレータプレート２２（図２に示されている）の現在の物理的な位置とは無関係に、その要求された力を生成するのに必要な適切なモーター状態を提供する本発明の代表的なアプリケーションを示している。
【００４２】
好適なアプリケーションにおいては、マイクロモーター１０と共に本発明の線形化回路４０の一形態を使用して線形の力のアクチュエータを形成する閉ループフィードバックシステムにおいて、ステッピングモーター１０の位置が制御されている。
【００４３】
線形化回路４０は、フィードバックコントローラ５４からニュートンを単位とする力の要求を受け取る。フィードバックコントローラ５４への入力は、差分ブロック５２によって供給されており、差分ブロック５２は、スケーリングブロック５０からの望ましい位置の情報と、位置推定器６２からの推定された位置に関する情報とを受信している。差分ブロック５２内において、スケーリングブロック５０からの望ましい位置要求が位置推定器６２からの推定された位置と合成され、現在の位置誤差が判定される。
【００４４】
すべての位置情報は、ＡＤＣカウントとして、差分ブロック５２に入力される。望ましい位置に関する情報は、ミクロンを単位として、スケーリングブロック５０によって受け取られ、ＡＤＣカウントとして出力される。位置推定器６２の出力も、ＡＤＣカウントとして受け取られる。
【００４５】
差分ブロック５２の出力からフィードバックコントローラ５４に入力される位置誤差が、後述するように、線形化回路４０によって処理されることになる。
【００４６】
フィードバックコントローラ５４からの力の要求は、スケーリングブロック５６内において、モーター力量子にスケーリングされる。モーター力量子は、モーター状態が、現在のモーター位置において、そのゼロの力の状態から１マイクロステップカウントだけ増分された場合に（１つのＤＡＣにおける１ＤＡＣカウントの変化）、マイクロモーター１０が生成する力の量として定義される。飽和ブロック５８は、モーターが、実際に生成可能なものを上回る力を生成するべく試みることを防止する。飽和ブロック５８からの出力を加算ブロック６０においてモーター状態オフセットと合成し、モーターのデジタル／アナログコンバーター（ＤＡＣ）６８を駆動する新しいモーター状態を生成する。ＤＡＣ６８及び関連する増幅器が、静電直線型ステッピングモーター１０を駆動する。
【００４７】
モーター状態オフセットは、モーター１０の現在の位置によって判定される。好適な実施例においては、モーター１０の位置は、位置推定器６２においてモデル化されている。位置推定器６２は、位置センサ６６から現在位置の計測値を受け取り、このような計測値は、アナログ／デジタルコンバータ６４からのデジタル化された出力である。位置推定器６２は、飽和ブロック５８から、以前の飽和したモーターの力の要求をも受け取る。位置推定器６２は、基本的に、モーター１０の機械的な動力学をモデル化している。任意選択の位置センサ６６からのデジタル化された出力を追加することにより、モデルの精度が向上する。
【００４８】
位置推定器６２からの出力は、剰余又はＲＥＭブロック７０を駆動している。剰余ブロック７０は、位置から周期的な反復を除去してモーター状態又は位置オフセットを判定し、これが、加算ブロック６０に入力されている。
【００４９】
マイクロモーター１０へのステップ電圧入力と関連した機械的な共振に対する線形化回路４０の効果が、図４〜図８に示されている。
【００５０】
図４には、４０ボルトのピーク電極振幅における線形化されたマイクロモーターのステップ応答が示されている。図４においては、ｙ軸は、μｍを単位としてモーターの位置を示し、ｘ軸は、ミリ秒を単位として時間を示すことにより、制御対象のモーターの共振周波数を表示している。交互に変化する電圧のパターンが、固定子電極２０とトランスレータ電極２６に印加されている。固定子電極２０に供給される電圧のパターンは、トランスレータプレート２２を移動させるために変更されている。図４に示されている減衰する発振パターンは、図３のモーター１０の物理的な質量−スプリングモーター特性の動力学に関係しており、固定子電極２０及びトランスレータ電極２６からの電気的な力には関係していない。
【００５１】
図５のシミュレーションは、ピーク電極電圧が半分に（２０ボルト）に低減されていることを除いて、図４に示されているシミュレーションに類似している。ピーク電極電圧が図４と比べて半分に低減されてはいるが、周波数及び減衰時間は、図４に示されているものと同一である。線形化回路４０によって提供されるモーターの線形化法は、システムの動力学からの電気的な回復力を効果的に除去して、電気的な回復力の無効化によるモーター位置の追跡を効果的に実現する動的なデジタルモーター状態オフセットを提供する。この結果、固定子電極２０上の電圧パターンがトランスレータ電極２６への入力を通じてトランスレータプレート２２の移動を追跡するため、電気的な回復力は生成されない。
【００５２】
図６に提供されている第３のシミュレーションは、この場合にも、ｙ軸が、μｍを単位としてモーターの位置を示し、ｘ軸が、ミリ秒を単位として時間を示すことにより、周波数を示している。但し、ステッピングモーター１０のステップ応答は線形化を伴うことなしに示されており、電極の電位は４０ボルトの最大電圧に固定されている。相対的に小さな初期オフセットを使用することにより、生成される動作が、固定子及びトランスレータ電極２０、２６の電界によって生成される電位降下を超過することを防止する。図６に示されている発振器の周波数は、図４及び図５に示されている発振器の周波数よりも格段に大きく、図４及び図５の場合には、線形化回路４０によって提供される線形化が使用されていることに留意されたい。この周波数における差は、電界によって供給される追加的な回復力に起因している。
【００５３】
ピーク電極電位が４０ボルトから２０ボルトに半減していることを除いて、図６に示されているシミュレーションに類似したシミュレーションである図７に示されている共振周波数の劇的な変化に留意されたい。図７のシミュレーションは、周波数のかなりの減少を示している。図７には、振幅の減少が示されているが、図７におけるｙ軸のスケールは、図６におけるｙ軸のスケールと同一ではないため、その変化は周波数ほど劇的ではない。
【００５４】
しかしながら、図４〜図７に示されているシミュレーションから、線形化回路４０（これにより、ステッピングモーターの線形化が実現する）が、電気的な回復力がモーターの動力学に影響を及ぼすことを防止すると共に、マイクロモーター１０が閉ループサーボシステムのアプリケーションにおいて線形アクチュエータとして機能することを可能にすることが明らかである。特に、図６と図７の間において、モーターの共振周波数が劇的に変化しているが、図４と図５の間においては、そうでないことに留意されたい。
【００５５】
図８には、要求されているモーターの力（ｘ軸）が、本発明の線形化法を利用する動作においてシステムに供給されたモーターの力（ｙ軸）に対してプロットされている。プロットされている力の単位は、マイクロニュートン（μＮ）である。このプロットは、モーターの飽和のわずかな影響を示しているが、プロットは、全体的に、線形の応答を示しており、モーター線形化アルゴリズムの実現可能性を実証している。この飽和の効果を単純な多項式又はルックアップテーブルによって補正することも可能である。図８に示されているプロットを補正してモーターの飽和などの二次的な効果を極小化することにより、更に大きな線形応答を提供することも可能であるが、多くのアプリケーションにおいては、この改良は無視できる。
【００５６】
本発明は、本明細書に記述された特定のシステム及び方法に限定されるものではないため、本発明のシステム及び方法は、一般的にステッピングモーターの位置を制御するシステム及び方法として記述されており、このステッピングモーターは、モーターに対する連続増分パルスにおける入力駆動力を使用して第１位置から第２位置に連続増分ステップにおいてモーターを移動させ、本システムは、連続増分ステップ間における移動に続いてモーターの位置の変化を検知又は推定する手段と、このような位置の変化を線形の出力駆動力に変換する手段と、変換手段によって供給される出力駆動力を検知する手段と、出力駆動力を数学的なモデルによって提供される既定の入力駆動力と比較する手段と、比較手段によって供給されるオフセット力を生成して入力駆動力と合成し、これにより、モーターの出力の力から直線移動の位置成分を除去する段階と、を有している。
【００５７】
好適な実施形態に関する本発明者らの説明は、ステッパマイクロモーターの直線構成におけるその使用に限定されているが、回転ステッピングモーターにおけるその使用を想像することは困難ではなく、本発明及びその使用法をそれらのアプリケーションに拡張するのも妥当である。図３は、本発明の装置の一例を示しているが、その他の特徴、タイプ、及び構成も同様に使用可能である。
【００５８】
制御システムは、１つの形態において提示されているが、本発明のシステムは、様々な構造を備えることが可能であることが容易に理解されよう。例えば、数学的なモデルにおいて提供されているアルゴリズムを変更し、位置制御と関連する二次的な特徴を削除又は内蔵することができる。例えば、誘電体充電がモーターの位置に大きな影響を持っていない場合には、それに関係する要因をモデルに内蔵する必要はない。システムコンポーネントを適切に選択することにより、モデル内に反映する必要がない程度にまで制御回路内の雑音を極小化することができる。制御システムの個々のコンポーネントにおける改良も本発明の範囲に属している。
【００５９】
以上、その好適な特定の実施例との関連において本発明について説明したが、以上の説明は、本発明の範囲を例示することを意図したものであり、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。当業者には、本発明の範囲に属するその他の態様、利点、及び変更が明らかであろう。
【００６０】
本明細書において言及したすべての特許、特許出願、及び公開は、引用により、そのすべてが本明細書に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明のシステムを利用することにより、ステッピングモーターが正確な力のアクチュエータとして機能可能であり、これにより、モーター応答から位置的な感度を効果的に除去している例示的な直線運動型静電ステッピングモーターを概略的に示す図である。
【図２】図１の静電ステッピングモーターの電極に対する電圧入力を概略的に示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に従って構築された直線型ステッピングモーター制御システムの主要要素のブロック図である。
【図４】本発明に記述されている方法を利用したコントローラを使用する４０ボルトのピーク電極振幅を有する線形化された静電直線運動型マイクロステッピングモーターのステップ応答を示す図である。
【図５】本発明に記述されている方法を利用したコントローラを使用する２０ボルトのピーク電極振幅を有する線形化された静電直線運動型マイクロステッピングモーターのステップ応答を示す図である。
【図６】線形化されておらず、４０ボルトのピーク電極振幅を有する静電直線運動型マイクロステッピングモーターのステップ応答を示す図である。
【図７】線形化されておらず、２０ボルトのピーク電極振幅を有する静電直線運動型マイクロステッピングモーターのステップ応答を示す図である。（図６と図７の間においては、モーターの共振周波数が劇的に変化しているが、図４及び図５の間においては、そうではないことに留意されたい。）。
【図８】モーターの作動中に供給されるモーターの力に対し、要求されているモーターの力のプロットを示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０      ステッピングモーター
１２      固定子プレート
１４、１６  側壁
２０      固定子電極
２２      トランスレータプレート
２６      トランスレータ電極
２８、３０  スプリング
４０      線形化回路
【図１】
2007082392.tif 000003
【図２】
2007082392.tif 000004
【図３】
2007082392.tif 000005
【図４】
2007082392.tif 000006
【図５】
2007082392.tif 000007
【図６】
2007082392.tif 000008
【図７】
2007082392.tif 000009
【図８】
2007082392.tif 000010